考虑土体季节性冻融效应的铁路桥梁桩基础抗震性能及影响因素分析

于生生，张熙胤，王万平，黄安琪，张益舶，孙斌洁

(兰州交通大学 土木工程学院，甘肃 兰州 730070)

我国西部冻土分布广泛且地震活动频繁，随着我国西部大开发国家战略的推进和交通基础设施建设的发展，冻土区交通工程建设将更为普遍，除了已建成的兰新铁路、青藏铁路及其延长线工程外，还有正在建设中的川藏铁路、银西高铁等工程[1-2]，这些线性交通工程中桩基础桥梁占据了较高的比例。而近年来我国西部地区地震活动极为频繁[3-4]，因此，大量既有和新建铁路桩基础桥梁遭遇地震的危险性和可能性较大[5-6]，对其抗震性能影响因素的研究极为必要。

虽然桩基础具有良好的抗震性能，但其震害情况在历次大地震中仍普遍存在，特别是我国学者对集集地震震后桩基础进行开挖，发现建筑物下的群桩基础发生了大量折断[7]，同样在我国的唐山地震和日本阪神地震中也出现过此类现象[8]。目前针对桩基础抗震性能的研究大多集中在非冻土地区，而对冻土区桥梁桩基础抗震性能的研究较少。文献[9-10]研究了土层性质对桩身的内力影响规律，发现桩身在土层分界面处的弯矩最大，在软硬土层交界面处会发生弯矩突变。由此可以推断冻土层的季节性冻融变化对桥梁桩基础抗震性能的影响不容忽视。由于冻土与常规融土不同，其力学性质对外界作用极为敏感[11-13]，冻土力学特性的改变将会直接影响桥梁桩基础的承载能力和稳定性，使桩基础的破坏机理和抗震性能发生显著变化[14]，文献[15-16]研究了地基土冻结对桩基动力相互作用的影响，发现即便是厚度较小的季节冻土层也会对桩基的动力响应产生较大的影响。文献[17-19]研究了桩-冻土体系在横向荷载作用下的响应，发现季节冻土层的出现会不同程度提高桩-土体系的弹性刚度和剪切强度，降低其侧向变形能力和桩基础的塑性区长度，改变桩身最大弯矩出现位置。另外，Fei等[20]通过数值分析和拟静力试验方法研究了土体冻结对桩-土体系抗震性能的影响，研究结果表明土体冻结能使桩-土体系由延性向脆性转变，建议寒区桥梁桩基抗震设计中考虑土体的冻结作用效应。为研究土的不同状态对桩基础桥梁地震反应的影响，国内学者王常峰等[21]以青藏线某跨度32 m的高桩承台简支梁桥为工程背景进行地震反应分析，研究表明非冻土状态下桩的水平位移较大，而冻土状态下桩的剪力及弯矩最大值较大，非冻土模型桩底部内力较大，而冻土模型桩顶部内力较大且内力较大值的分布区域相对较小。针对青藏铁路高温不稳定多年冻土区桥梁桩基础，文献[22-24]对不同土体温度条件的桥梁桩基础进行了地震响应分析，结果表明冻土层温度对青藏铁路桥梁桩基础地震稳定性起到关键性作用。文献[25-27]同样以青藏铁路桥梁桩基础为例，研究发现冻土层及其温度分布差异对地震作用下桥梁桩基础的破坏机理、桩身位移和桩身内力分布都具有显著的影响。

尽管以上学者对冻土区桥梁桩基础抗震性能做了一些研究，但研究成果仅注重于冻土层的存在及其温度变化对桩基础地震响应的影响，并未对冻土区桥梁桩基础的抗震性能影响因素及抗震性能的改善措施进行深入系统研究。而与多年冻土相比，季节冻土的土层厚度及动力特性更易受冷暖季过渡期的影响，因此本文以季节冻土区铁路桩基础重力式桥墩为研究对象，开展了冻土-桩基础相互作用拟静力试验研究，并建立了冻土-桩基础桥墩的有限元模型，在拟静力试验结果验证了有限元模型的正确性与可靠性基础上，进一步分析了季节冻土层厚度、冷暖季过渡期季节冻土表层融深、桩长和桩径、墩顶荷载以及桩基配筋率等因素对桥梁桩基础抗震性能的影响规律。研究结果可为季节冻土区铁路桥梁桩基础抗震设计及性能改善提供参考和依据。

1 冻土区铁路桥梁桩基础拟静力试验研究及有限元模型验证

1.1 拟静力模型试验设计

以某铁路桩基础重力式桥墩1∶8缩尺模型为研究对象，桥墩采用高桩承台基础。模型桥墩、承台及桩基采用C30混凝土。模型桥墩纵筋采用6φ12 的HRB335钢筋，其配筋率为0.38%；桩基础均匀布置4φ6 的HPB300钢筋，其配筋率为0.4%，承台按规范配构造钢筋。模型尺寸和配筋见图1。将桥墩模型的自重、梁体自重及二期恒载的总和按相似比缩小，施加到模型墩顶的竖向力总计188.5 kN，其中包括上部梁体自重97.4 kN和弥补缩尺后模型桥墩混凝土容重不足所施加的配重荷载91.1 kN。土槽内填筑粉土，通过在土层内埋设铜管并与恒温控制器相连接实现土体的降温与冻结。本次试验温度随土体深度变化曲线见图2。试验时在模型墩顶施加水平低周往复荷载，加载制度采用位移控制，在20 mm位移荷载之前采用2 mm步长加载，在20～50 mm之间采用5 mm步长加载。

图1 模型尺寸与配筋构造(单位：mm)

图2 温度随土体深度变化曲线

1.2 试验结果分析

当墩顶加载位移较小时，土体及桥墩均处于弹性状态，随着墩顶位移的增大，在桩顶处出现微小裂缝而土体仍处于弹性状态，模型水平承载力不断增大。在加载中期，桩基础表现出更加强烈的非线性，同时桩身出现了明显的抬升，模型承载力增加速率变缓，整体刚度变小，当到达加载后期时，墩顶承载力开始出现略微下降。试验过程中土体表面与桥墩均未发现裂缝，桩基础裂缝主要集中在地表附近，约在距承台底面6～15 cm处，见图3(a)。桥墩桩基础拟静力试验的荷载-位移曲线见图3(b)。

图3 拟静力试验桩基础破坏图及荷载-位移曲线

1.3 有限元模型的验证1.3.1 有限元模型建立

为使模型的加载位置与试验保持一致，有限元模型中桥墩高度取0.9 m。同时为了考虑边界效应的影响，土体宽度取5 m，高度取2 m。其余条件均与拟静力试验中保持一致。混凝土和土体均采用三维实体单元(C3D8R)，钢筋采用桁架单元(T3D2)。经过大量试算后土体网格尺寸取20 cm，其有限元模型见图4。

混凝土本构采用混凝土损伤塑性模型(CDP模型)[28]；钢筋本构选用改进的Clough滞回模型[29]；土体本构选用Mohr-Coulomb模型[30]，土体本构参数见表1。表1中土体参数均为试验用土的实测值，试验仪器为CSY-20型低温冻土三轴仪。

图4 桩基础桥墩三维实体有限元模型

表1 土体本构参数

1.3.2 拟静力试验结果与数值模拟结果对比

有限元模型在水平荷载下的应力分布云图见图5，其最大应力分布于距承台底面0～20 cm处，与试验中桩基的破坏位置基本一致。有限元分析与拟静力试验的骨架曲线对比见图6。由图6可见，模拟所得的骨架曲线与试验结果拟合的较好，而由于试验模型在制作、安装过程中存在一定误差，使试验骨架曲线不对称，造成了数值模拟与试验结果中正向承载力存在偏差。但总体来说，该有限元模型可准确模拟水平低周往复荷载作用下高桩承台基础桥墩的力学行为。

图5 混凝土应力分布云图(单位：Pa)

图6 有限元分析与拟静力试验的骨架曲线对比

2 冻土区铁路桥梁桩基础抗震性能分析

为深入系统地研究冻土区铁路桥梁桩基础抗震性能影响因素，基于Abaqus有限元软件建立了冻土区铁路桩基础桥墩有限元模型，系统分析了季节冻土层厚度h、季节冻土表层融深h1、桩长l和桩径d、墩顶荷载P以及桩基配筋率ρ等6种因素对冻土区桥梁桩基础抗震性能的影响规律。由于缺乏桥址地区地质条件及原状土的相关参数，影响原型结构有限元建模的精准性，为实现快速化精准建模，依旧采用上述已经验证过的有限元缩尺模型，参数化分析时只是通过改变基准模型中的参数来研究冻土区铁路桥梁桩基础抗震性能的影响因素。不同模型基本参数见表2。表2中，模型1为基准模型，其参数与拟静力试验中的参数保持一致；模型2和模型3主要考虑季节冻土层的影响，其中模型2为季节冻土层完全冻结状态，模型3为非冻土状态，即冻土层厚度为0；模型4和模型5主要考虑冷暖季过渡期表层冻土融化的影响，融化层深度分别取0.1、0.2 m对比；模型6和模型7主要考虑桩基长度的影响，模型8和模型9主要考虑桩径的影响，模型10和模型11主要考虑桩基配筋率的影响，其中模型6—模型11中桩基参数主要根据地质条件、施工条件以及铁路等级取值[31]；模型12和模型13主要考虑墩顶竖向荷载的影响，其取值按照桥墩上部不同长度梁体的自重确定。

表2 模型基本参数

2.1 骨架曲线特性

不同参数下高桩承台基础桥墩的骨架曲线见图7。不同模型的骨架曲线特性见表3。由图7和表3可见：

(1)季节冻土层的存在对铁路桥墩高桩承台基础的承载能力影响十分显著，其大大提高了铁路桩-土体系的水平承载能力，但当冻土层达到一定厚度时，其桩基础桥墩的水平承载能力不再提高，甚至出现了略微的下降，此时桩基础桥墩的水平承载能力主要由桩基础本身强度所决定。

(2)季节冻土表面出现融化层后对铁路高桩承台基础桥墩的水平承载能力极为不利，表现为随着冻土表层融深的出现及加深，桩-土体系水平承载能力和变形能力呈下降的趋势。

(3)当桩基础长度增加10 cm时，模型的水平承载能力几乎不变；当桩基础长度增加20 cm时，水平承载能力增加了28.5%。因此，在铁路桥梁高桩承台基础抗震设计中应合理设计桩基长度。

(4)在一定范围内，铁路高桩承台基础桥墩的承载能力随着桩基直径、墩顶竖向荷载和配筋率的增加有不同程度的增加，但会减弱高桩承台基础桥墩的变形能力。

但是，随着供应链金融的发展，其中也暴露了一些问题，没有按照预期那样的发展。参与的主体极其的多，信息流动错综复杂。商业、信息、物流动态、资金流动等信息分散在链的各个环节中。即使是核心企业，也没能掌握链上全部的信息。商业银行主导的供应链金融没有达到预期的发展， 二三级经销商、供应商没能得到核心企业的信用背书，融资较为困难。从整体角度审视，信息透明没有得到充分的展示。信息不对称成为了阻碍发展的重要因素。

图7 不同参数下高桩承台基础桥墩骨架曲线

表3 不同模型的骨架曲线特性

2.2 刚度特性

在不同参数下高桩承台基础桥墩的刚度退化曲线见图8。由图8可见，各模型的刚度退化规律基本一致，在达到塑性位移前，刚度随着荷载的增加而迅速下降，达到塑性位移以后，衰减速度放缓，并在后期趋于平稳。其中，季节冻土层和季节冻土表面融化层的存在对铁路高桩承台基础桥墩的初始刚度和中后期等效刚度影响最为显著，具体表现为季节冻土层的存在可大大提高模型的等效刚度，季节冻土表面融化层的存在则反之。同时随着桩长、桩径和配筋率的增加模型的刚度也会有不同程度提高，而模型的刚度几乎不受墩顶竖向荷载的影响。

图8 在不同参数下高桩承台基础桥墩的刚度退化曲线

2.3 不同影响因素下桩身受力分布

地震作用下桩基础的震害是普遍存在，桩身位移、桩身弯矩和桩身剪力是桩基础结构抗震设计中应考虑的重要参数，确定这些参数沿桩身分布情况，有利于桩身抗震设计和桩身破坏机理研究。

2.3.1 桩身位移响应

不同参数对高桩承台基础桩身位移的影响规律见图9。由图9可见，季节冻土层的存在使桩顶最大位移减小了40%，而季节冻土区冻土表面融化层的出现使桩顶最大位移增加43%，桩长、桩径、墩顶竖向荷载以及配筋率等对桩基础的最大位移几乎没有影响。这是因为桩身的位移主要取决于土体对桩的约束作用，当土体冻结后其强度和刚度都显著增大，冻土层的抗力对桩基础的阻碍作用大大增强，从而限制了桩基础位移的发展，土体融化后反之。

图9 不同参数对桩身位移的影响规律

图10 不同参数对桩身弯矩响应的影响

2.3.2 桩身弯矩响应

不同影响因素下高桩承台基础桩身弯矩分布对比见图10。由图10可见，季节冻土层厚度、季节冻土表层融深的变化以及不同桩径对桩身弯矩分布情况影响较大。不含冻土层时桩身最大弯矩发生在埋深0.2 m位置处，当有季节冻土层存在时桩顶位置处弯矩最大且桩身有负弯矩出现，但桩身最大弯矩的数值比不含冻土层时小。当季节冻土表面出现融化层时，桩身最大正弯矩出现在埋深0.15 m处，且随着表面融化层厚度的增加桩身弯矩呈减小趋势，最大正、负弯矩位置也在逐渐下移。随着桩径的增加，桩身弯矩显著增大，最大正、负弯矩可分别增加93%、141%，因此通过增大桩径来提高承载能力对于桩身的受力极为不利。而随着桩长的增加，桩身最大正弯矩几乎不变，负弯矩略有增加，墩顶荷载和桩基配筋率对桩身弯矩影响很小。

2.3.3 桩身剪力响应

不同参数对桩基础剪力分布的影响见图11。由图11可见，桩身最大正剪力都发生在桩顶处，而最大负剪力发生在埋深0.3～0.6 m处。其中，季节冻土层的存在会增大桩身的剪力，桩身最大负剪力不仅增幅明显，而且位置发生了上移，相反随着季节冻土表层融深的加大，桩身最大剪力逐渐减小，最大负剪力的发生位置下移。同样增加桩长会减小桩身剪力，而增大桩径会增加桩身剪力，墩顶竖向荷载和桩基配筋率基本不会影响桩身剪力分布。

图11 不同参数对桩身剪力响应的影响

3 结论

通过对冻土区铁路桥梁高桩承台基础非线性受力特征及影响参数分析，可得到以下结论：

(1)建立的有限元模型可有效模拟水平荷载作用下铁路桥梁高桩承台基础的力学行为，试验及数值结果均表明冻土区铁路桥梁高桩承台基础的桩顶处为易损部位。

(2)季节冻土层的存在不仅可以显著提高高桩承台基础的水平承载能力，而且可有效增强其整体刚度，同时也可减小桩基础的水平位移和桩身弯矩，有利于铁路高桩承台基础桥梁的抵抗水平地震力，但当冻土层达到一定厚度时，其水平承载能力不会继续提升。

(3)冻土融化后的力学性质与非冻土不同，其融化后在荷载作用下具有较强的流变性，土体软化将直接降低桩-土体系在水平荷载作用下的受力性能，使桩身位移显著加大，建议在寒区高桩承台基础桥梁抗震设计中充分考虑土体的季节冻融效应。

(4)合理设计桩基长度可有效提高铁路高桩承台基础桥墩的抗震能力，而桩径的增加虽然会对桩基的水平承载能力略有提高，但对桩身的受力却极为不利，因此通过增大桩径来提升结构水平承载能力在铁路桥梁高桩承台基础抗震设计时应不予优先考虑。

(5)在水平低周往复荷载作用下，随着墩顶竖向荷载和桩基础配筋率的增加，桩-土体系的水平承载能力呈增大趋势，变形能力逐渐减小，但是几乎不会影响高桩承台基础的水平位移和内力分布。

通过对冻土区铁路桥梁高桩承台基础非线性受力特征及影响参数分析，得到了一些有益的结论，但研究结果具有一定的局限性，仍存在未完善之处，在今后的研究中有待更深入的研究：①拟静力试验和有限元参数化分析时均采用的是高桩承台基础桥墩，研究结论仅适用于冻土区铁路桥梁高桩承台基础，对于低桩承台基础的水平受力性能还需进一步研究；②研究模型所采用的桥墩高宽比较小，属于矮墩柱，矮墩柱结构和高墩结构的高桩承台基础内力分布及水平受力性能有着显著的差异，因此研究结论是否适用于高墩结构还需后续进一步研究。